регистрация /  вход

Люминисценция (стр. 1 из 3)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

на тему:

«ЛЮМИНИСЦЕНЦИЯ»

МИНСК, 2008

1. Люминисценция

Явление, при котором вещество, либо по­глощая энергию света ионизирующего или другого излучения, либо под действием различных химических реакций переходит в возбужденное состояние, а за­тем, возвращаясь в исходное состояние, излучает по­лученную энергию в виде света, называют люминес­ценцией. Кратковременное люминесцентное излучение, прекращающееся почти сразу с окончанием возбуждения, это флюоресценция, а длительное, продолжающееся и после окончания возбуждения, - фосфоресценция. Явления люминесценции делятся на несколько видов, в зависимости от способа возбуждения (табл. 1).

Фотолюминесценция - свечение вещества при об­лучении светом. Фотолюминесцентные материалы это возбуждаемые ультрафиолетовым излучением со­единения Y2 O3 :Eu3+ (красное свечение) и CaWO4 :Pb (сине-зеленое свечение), рабочие тела лазеров, такие, как рубин (Al2 O3 : Сг3+), неодимовое стекло, органи­ческие красители, подобные родамину 6Ж, и многие другие.

Катодная люминесценция - свечение вещества при облучении пучком электронов. Пример материалов для катодной люминесценции - ZnS:Cu, Al (зеленое свечение), Y2O3S:Eu4 и модификации ZnO (красное свечение). Существуют также материалы, светящиеся при бомбардировке низкоскоростными электронами: ZnO:Zn (зеленое свечение), ZnS:Ag + In2O3 (сине-зеленое свечение) и им подобные.

Электролюминесценция - свечение вещества под действием электрического поля. При этом свечение под действием сильного поля, увеличивающего кине­тическую энергию носителей заряда в веществе, на­зывают предпробной электролюминесценцией, а излучение света, возбуждаемое инжектированными носителями за счет разности их потенциальных энер­гий, созданной в твердом теле, называют инжекционной люминесценцией. Пример материалов для предпробойной электролюминесценции - ZnS:Cu, XnS:Mn, а для инжекционной - GaP:N, GAP:Zn, GaAs1-xPx, Alx Ga1-xAs

Свечение, сопровождающее химические реакции, проходящие в веществах, называют хемолюминесцен­цией. Пример такого явления - свечение синего цве­та, возникающее при окислении желтого фосфора. Возбуждение химического лазера производится с по­мощью, например, реакции между фтором и водо­родом.

Чаще всего энергия (частота) возбуждающего из­лучения выше энергии (частоты) свечения, и тогда люминесценцию называют стоксовой. В противопо­ложном случае говорят об антистоксовой люминес­ценции.

Таблица 1. Виды, механизмы, материалы и применение люминесценции

2.Вынужденное излучение и усиление света

Все атомы и молекулы, все твердые тела и жидкости могут излучать свет с характерным для каждого из них набором длин волн. Причина в том, что энергия электронов в атоме, колебательная и вра­щательная энергия молекул, энергия электронных уровней в твердом теле может принимать только определенные дискретные наборы значений, харак­терные для каждого конкретного вида атомов, молекул и твердых тел. И когда электрон с энергией E2 переходит на уровень с энергией Е1 испускается квант света с длиной волны λ, обратно пропорцио­нальной разности этих энергий (E2 - Е1 = hv , где h - постоянная Планка, v = 1/ λ).

Излучение света может происходить двумя спосо­бами. Первый способ показан на рис. 2а. Когда элек­троны в атоме, находившиеся на энергетическом уров­не E2 , без постороннего влияния переходят на более низкий энергетический уровень E1 , испустив световой квант, это спонтанное излучение. Если рядом нахо­дится атом, способный излучать свет с длиной волны, равной λ, или очень близкой к ней, то при поглощении этим атомом света с указанной длиной волны элек­трон переходит с уровня E1 на уровень E2 . Такое явление называют резонансным поглощением (рис. 2б). Второй способ: электроны находятся на уровне E2 и атом подвергается воздействию света с длиной вол­ны, соответствующей резонансному поглощению. В этом случае атом испускает свет, по длине волны и фазе полностью соответствующий воздействию (рис. 2в). Такое явление называют вынужденным (индуцированным) излучением.

Рис. 2. Спонтанное излучение (а), резонансное поглощение (б)

и вынужденное излучение (в) света

Считают, что причины вынужденного излучения таковы. При отсутствии света волновая функция электрона (квадрат ее амплитуды выражает вероят­ность пребывания электрона на данном энергетиче­ском уровне) может быть либо функцией состояния E1 либо функцией состояния E2 (рис. 3а), причем обе эти волновые функции взаимно независимы. Под действием электромагнитного поля света распределе­ние вероятности изменяется. Возникает суперпозиция состояний, описываемая линейной комбинацией ука­занных выше волновых функций. Иначе говоря, возникает смещение зарядов вдоль вектора напряженно­сти электрического поля падающего света, причем заряды колеблются около положения равновесия с той же фазой и частотой, что и световая волна. Атом становится диполем, излучающим свет с частотой и фазой падающего света.

Если собрать N свободных атомов, то получим N электронов и 2N энергетических уровней. Когда эта система находится в тепловом равновесии, то число электронов n1 на уровнях с энергией E1 больше, чем число электронов n2 на уровнях с энергией E2 . И хотя такая система в состоянии излучать свет с длиной волны λ, однако резонансное поглощение преобладает и спонтанное излучение прекратится. Но если каким-либо способом сделать n2 больше, чем n1 (такое рас­пределение электронов называют инверсным, и так как, по определению абсолютной температуры, это состояние возможно только при температуре ниже абсолютного нуля, его называют состоянием с отри­цательной температурой), то вынужденное излучение будет преобладать над резонансным поглощением (рис. 4). Таким образом, падающий свет может со­провождаться вынужденным излучением с той же фазой и длиной волны, но интенсивностью во много раз выше. Это и есть усиление света. Повышение ин­тенсивности на единицу длины рабочего тела, выраженное в процентах, называют коэффициентом уси­ления. Свет можно усиливать с помощью неодимового стекла и подобных ему материалов.

Лазерная генерация - это усиление вынужденного излучения с использованием оптического резонатора.

3. Синхронное орбитальное излучение

При искривлении траектории в магнитном поле ускорителей кольцевого типа, например синхро­трона, электроны излучают электромагнитные волны, называемые синхротронным орбитальным излучением В настоящее время часто используют термины синхротронное излучение и синхротронное свечение.

На рис. 7 приведена схема возникновения синхрон­ного излучения в устройстве кольцевого типа. Электроны, уже набравшие необходимую скорость в линейном ускорителе, влетают в кольцо с поворотными электромагнитами и движутся в нем. В тех местах, где магнитное поле искривляет траекторию электро­нов, ставятся выходные окна для излучения. Полученное излучение используют для различных целей. Такие сооружения есть в Японии: в Институте деления атомного ядра Токийского университета (0,4 ГэВ), в Институте деления и синтеза атомных ядер (0,6 ГэВ) и в институте физики высоких энергий (2,5 ГэВ).

Синхротронное излучение может занимать любую область в широком спектре длин волн - от инфракрасного, видимого и ультрафиолетового до рентгенов.

4. Хромизм

Хромизмом называют обратимые измене­ния цвета вещества под действием электрического поля, при облучении светом или пучком электронов. Если цвет изменяется под действием ультрафиолето­вых лучей и становится прежним под действием види­мого света – это фотохромизм. Если цвет изменяется при облучении пучком электронов – это катодный хромизм, а под действием электрического поля – электрохромизм.

Фотохромные материалы - это, например, хлори­ды щелочей (КС1 и др.), фториды типа СаF2 с присад­ками редкоземельных элементов или такие вещества, как SrTiO3 , CaTiO3 , TiO2 , с присадками металлов переходных групп, а также некоторые органиче­ские вещества. Электрохромные материалы среди неорганики – хлориды щелочей, оксиды переходных металлов типа WO3 и MoO3 , а среди органики – био­логические материалы и их производные, а также имидазол, дифталоцианины редкоземельных эле­ментов.

Рассмотрим для примера механизм фотохромного изменения окраски в кристалле СаF2 :Sm, Eu. Как показано на рис. 5, атомы Sm и Eu имеют уровни возбуждения, различные по энергии ионизации. Когда кристалл находится в состоянии теплового равновесия, уровни Sm2+ и Eu3+ + поглощают свет и в белом свете образец приобретает зеленую окраску. Если кристалл подвергнуть ультрафиолетовому облу­чению, имеющему энергию hw1 электроны с уровней Sm2+ переходят в зону проводимости и ион Sm2+ пре­вращается в Sm3+ . Перешедший в зону проводимости электрон посредством тепловой релаксации опускает­ся до уровня Eu3+ , и получается ион Eu2+ . В резуль­тате пропадает окраска кристалла - он становится бесцветным. Но если теперь осветить этот же кри­сталл видимым светом с энергией hw2, соответствую­щей разности между энергиями уровня Eu2+ и зоны проводимости, переход электронов произойдет в об­ратном направлении и кристалл снова приобретет зеленую окраску.

Применение электрохромизма на примере ячейки с рабочим веществом WO3 . Если приложить минус поля к электроду подложки, ячейка приобретет внутреннюю окраску с интенсивностью, пропорциональной прошедшему заряду. При пропу­скании тока в обратном направлении окраска пропа­дает. Механизм изменения окраски следующий. Под действием электрического поля разлагается материал катода.

Похожие статьи


Дарим 300 рублей на твой реферат!
Оставьте заявку, и в течение 5 минут на почту вам станут поступать предложения!
Мы дарим вам 300 рублей на первый заказ!